La prueba de redirección de doble asteroide ( DART ) fue una misión espacial de la NASA destinada a probar un método de defensa planetaria contra objetos cercanos a la Tierra (NEO). [4] [5] Fue diseñado para evaluar en qué medida el impacto de una nave espacial desvía un asteroide a través de su transferencia de impulso cuando golpea el asteroide de frente. [6] El asteroide objetivo seleccionado, Dimorphos , es una luna de un planeta menor del asteroide Didymos ; Ninguno de los asteroides representa una amenaza de impacto para la Tierra, pero sus características conjuntas los convirtieron en un objetivo de evaluación comparativa ideal. Lanzada el 24 de noviembre de 2021, la nave espacial DART chocó con éxito con Dimorphos el 26 de septiembre de 2022 a las 23:14 UTC a unos 11 millones de kilómetros (0,074 unidades astronómicas; 29 distancias lunares; 6,8 millones de millas) de la Tierra. La colisión acortó la órbita de Dimorphos en 32 minutos, muy por encima del umbral de éxito predefinido de 73 segundos. [7] [8] [9] El éxito de DART en desviar a Dimorphos se debió a la transferencia de impulso asociada con el retroceso de los escombros expulsados, que fue sustancialmente mayor que el causado por el impacto en sí. [10] [ se necesita aclaración ]
DART fue un proyecto conjunto entre la NASA y el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins . El proyecto fue financiado a través de la Oficina de Coordinación de Defensa Planetaria de la NASA , administrada por la Oficina del Programa de Misiones Planetarias de la NASA en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales , y varios laboratorios y oficinas de la NASA brindaron apoyo técnico . La Agencia Espacial Italiana contribuyó con LICIACube , un CubeSat que fotografió el evento del impacto, y otros socios internacionales, como la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Japonesa de Exploración Aeroespacial (JAXA), están contribuyendo a proyectos relacionados o posteriores. [11]
La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) comenzaron con planes individuales para misiones para probar estrategias de deflexión de asteroides , pero en 2015, iniciaron una colaboración llamada AIDA (Evaluación de impacto y deflexión de asteroides) que involucraba dos lanzamientos de naves espaciales separados que funcionarían en sinergia. [12] [13] [14] Según esa propuesta, la Misión Europea de Impacto de Asteroides (AIM) se habría lanzado en diciembre de 2020, y DART en julio de 2021. AIM habría orbitado el asteroide más grande para estudiar su composición y la de sus luna. Luego, DART impactaría cinéticamente la luna del asteroide el 26 de septiembre de 2022, durante un acercamiento cercano a la Tierra. [13]
Sin embargo, el orbitador AIM fue cancelado y luego reemplazado por Hera , que planea comenzar a observar el asteroide cuatro años después del impacto del DART. Por lo tanto, el seguimiento en vivo del impacto del DART tuvo que realizarse mediante telescopios terrestres y radares . [15] [14]
En junio de 2017, la NASA aprobó el paso del desarrollo del concepto a la fase de diseño preliminar, [16] y en agosto de 2018 el inicio de la fase final de diseño y montaje de la misión. [17] El 11 de abril de 2019, la NASA anunció que se utilizaría un SpaceX Falcon 9 para lanzar DART. [18]
El impacto de un satélite sobre un pequeño cuerpo del Sistema Solar ya se había implementado una vez, mediante la sonda espacial Deep Impact de 372 kilogramos (820 lb) de la NASA y para un propósito completamente diferente (análisis de la estructura y composición de un cometa). En el impacto, Deep Impact liberó 19 gigajulios de energía (el equivalente a 4,8 toneladas de TNT ), [19] y excavó un cráter de hasta 150 metros (490 pies) de ancho. [20]
La nave espacial DART era un impactador con una masa de 610 kilogramos (1340 lb) [21] que no albergaba carga útil científica y tenía sensores solo para navegación. La nave espacial costó 330 millones de dólares cuando chocó con Dimorphos en 2022. [22]
Los sensores de navegación de DART incluían un sensor solar , un rastreador de estrellas llamado software SMART Nav (navegación autónoma en tiempo real con maniobras de cuerpo pequeño), [23] y una cámara de apertura de 20 centímetros (7,9 pulgadas) llamada Didymos Reconnaissance and Asteroid Camera for Optical Navigation (DRACO). ). DRACO se basó en el Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) a bordo de la nave espacial New Horizons y apoyó la navegación autónoma para impactar la luna del asteroide en su centro. La parte óptica de DRACO era un telescopio Ritchey-Chrétien con un campo de visión de 0,29° y una distancia focal de 2,6208 m (f/12,60). La resolución espacial de las imágenes tomadas inmediatamente antes del impacto era de unos 20 centímetros por píxel. El instrumento tenía una masa de 8,66 kilogramos (19,1 libras). [24]
El detector utilizado en la cámara fue un sensor de imagen CMOS de 2.560 × 2.160 píxeles . El detector registra el rango de longitud de onda de 0,4 a 1 micra (visible e infrarrojo cercano). En LORRI se utilizó un detector CMOS comercial disponible en el mercado en lugar de un dispositivo de carga acoplada personalizado. El rendimiento del detector de DRACO en realidad igualó o superó al de LORRI debido a las mejoras en la tecnología de sensores en la década que separó el diseño de LORRI y DRACO. [25] Introducidas en una computadora a bordo con software descendiente de la tecnología antimisiles , las imágenes de DRACO ayudaron a DART a guiarse de forma autónoma hasta su accidente. [26]
Utilizando ROSA como estructura, se configuró una pequeña porción del conjunto solar DART para demostrar la tecnología de conjunto solar transformacional , que cuenta con células solares metamórficas invertidas (IMM) SolAero de muy alta eficiencia y concentradores reflectantes que proporcionan tres veces más energía que otros paneles solares actuales. tecnología de matriz. [28]
La nave espacial DART fue la primera nave espacial en utilizar un nuevo tipo de antena de comunicación de alta ganancia, una matriz de ranuras lineales radiales en espiral (RLSA). La antena polarizada circularmente operaba en las frecuencias de la Red de Espacio Profundo de la NASA (NASA DSN) de banda X de 7,2 y 8,4 GHz , y tenía una ganancia de 29,8 dBi en el enlace descendente y 23,6 dBi en el enlace ascendente. La antena fabricada en una forma plana y compacta superó los requisitos establecidos y fue probada en entornos dando como resultado un diseño TRL -6. [29]
DART demostró el propulsor de iones en red NEXT , un tipo de propulsión eléctrica solar . [15] [30] Estaba propulsado por paneles solares de 22 metros cuadrados (240 pies cuadrados) para generar los ~3,5 kW necesarios para alimentar el motor comercial evolutivo de xenón (NEXT-C) de la NASA. [31] Las primeras pruebas del propulsor de iones revelaron un modo de reinicio que inducía una corriente más alta (100 A) en la estructura de la nave espacial de lo esperado (25 A). Se decidió no utilizar más el propulsor de iones ya que la misión podría llevarse a cabo sin él, utilizando propulsores convencionales alimentados por las 110 libras de hidracina a bordo. [32] Sin embargo, los propulsores de iones permanecieron disponibles si era necesario para hacer frente a contingencias, y si DART no hubiera alcanzado su objetivo, el sistema de iones podría haber devuelto DART a Dimorphos dos años después. [33]
La Agencia Espacial Italiana (ASI) aportó una nave espacial secundaria llamada LICIACube ( Light Italian CubeSat for Imaging of Asteroids ), un pequeño CubeSat que iba a cuestas con DART y se separó el 11 de septiembre de 2022, 15 días antes del impacto. Adquirió imágenes del impacto y la eyección a medida que pasaba junto al asteroide. [34] [35] LICIACube se comunicó directamente con la Tierra, enviando imágenes de la eyección después del sobrevuelo de Dimorphos. [36] [37] LICIACube está equipado con dos cámaras ópticas , denominadas LUKE y LEIA. [38]
La nave espacial chocó contra Dimorphos en dirección opuesta al movimiento del asteroide. Por lo tanto, tras el impacto, la velocidad orbital instantánea de Dimorphos disminuyó ligeramente, lo que redujo el radio de su órbita alrededor de Didymos. La trayectoria de Didymos también se modificó, pero en proporción inversa a la relación entre su masa y la masa mucho menor de Dimorphos. El cambio de velocidad y el desplazamiento orbital reales dependían, entre otras cosas, de la topografía y la composición de la superficie. La contribución del impulso de retroceso de la eyección del impacto produce un efecto de "aumento del impulso" poco predecible. [39] Antes del impacto, el impulso transferido por DART al fragmento restante más grande del asteroide se estimó entre 3 y 5 veces el impulso del incidente, dependiendo de cuánto y qué tan rápido se expulsaría el material del cráter de impacto. Obtener mediciones precisas de ese efecto fue uno de los principales objetivos de la misión y ayudará a perfeccionar los modelos de futuros impactos en asteroides. [40]
El impacto del DART excavó materiales de la superficie/subsuelo de Dimorphos, lo que llevó a la formación de un cráter y/o cierta magnitud de remodelación (es decir, cambio de forma sin pérdida de masa significativa). Parte del material eyectado podría eventualmente llegar a la superficie de Didymos. Si la energía cinética entregada a su superficie fuera lo suficientemente alta, es posible que también se haya producido una remodelación en Didymos, dada su velocidad de giro casi rotacional. La remodelación de cualquiera de los cuerpos habría modificado su campo gravitacional mutuo, lo que habría llevado a un cambio de período orbital inducido por la remodelación, además del cambio de período orbital inducido por el impacto. Si no se hubiera tenido en cuenta, esto podría haber llevado posteriormente a una interpretación errónea del efecto de la técnica de desviación cinética. [41]
El compañero de DART, LICIACube, [42] [36] el telescopio espacial Hubble , el telescopio espacial James Webb y el observatorio ATLAS con base en la Tierra detectaron la columna de eyección del impacto de DART. [43] [44] El 26 de septiembre, SOAR observó que el rastro de impacto visible tenía más de 10.000 kilómetros (0,026 LD; 6.200 millas) de largo. [45] Las estimaciones iniciales del cambio en el período de la órbita binaria se esperaban dentro de una semana y con los datos publicados por LICIACube. [46] La misión científica de DART depende de un cuidadoso seguimiento desde la Tierra de la órbita de Dimorphos durante los días y meses siguientes. Dimorphos era demasiado pequeño y estaba demasiado cerca de Didymos para que casi cualquier observador pudiera verlo directamente, pero su geometría orbital es tal que transita por Didymos una vez en cada órbita y luego pasa detrás de él media órbita más tarde. Por lo tanto, cualquier observador que pueda detectar el sistema Didymos verá que el sistema se oscurece y se ilumina nuevamente cuando los dos cuerpos se cruzan.
El impacto fue planeado para un momento en el que la distancia entre Didymos y la Tierra sea mínima, lo que permitirá a muchos telescopios realizar observaciones desde muchos lugares. El asteroide estaba cerca de la oposición y era visible en lo alto del cielo nocturno hasta bien entrado 2023. [47] El cambio en la órbita de Dimorphos alrededor de Didymos fue detectado por telescopios ópticos que observaban eclipses mutuos de los dos cuerpos a través de fotometría en el par Dimorphos-Didymos. Además de las observaciones de radar, confirmaron que el impacto acortó el período orbital de Dimorphos en 32 minutos. [48] Con base en el período orbital binario acortado, se determinó la reducción instantánea en el componente de velocidad de Dimorphos a lo largo de su trayectoria orbital, lo que indicó que se transfirió sustancialmente más impulso a Dimorphos desde el material eyectado del impacto que se escapó que desde el impacto en sí. De esta manera, el impacto cinético del DART fue muy eficaz para desviar a Dimorphos. [10]
En un proyecto de colaboración, la Agencia Espacial Europea está desarrollando Hera , una nave espacial que se lanzará a Didymos en 2024 [34] [49] [50] y llegará en 2026 [51] [52] para realizar un reconocimiento y una evaluación detallados. [50] Hera llevaría dos CubeSats , Milani y Juventas . [50]
El objetivo de la misión era Dimorphos en el sistema 65803 Didymos, un sistema binario de asteroides en el que un asteroide está orbitado por otro más pequeño. El asteroide principal (Didymos A) tiene unos 780 metros (2560 pies) de diámetro; la luna asteroide Dimorphos (Didymos B) tiene unos 160 metros (520 pies) de diámetro en una órbita de aproximadamente 1 kilómetro (0,62 millas) de la primaria. [15] La masa del sistema Didymos se estima en 528 mil millones de kg, de los cuales Dimorphos comprende 4,8 mil millones de kg. [21] La elección de un sistema de asteroides binario es ventajoso porque los cambios en la velocidad de Dimorphos se pueden medir observando cuándo Dimorphos pasa posteriormente frente a su compañero, provocando una caída en la luz que puede ser vista por los telescopios terrestres. También se eligió Dimorphos por su tamaño adecuado; está en el rango de tamaño de los asteroides que uno querría desviar, si estuvieran en curso de colisión con la Tierra. Además, el sistema binario estaba relativamente cerca de la Tierra en 2022, a unos 7 millones de millas (0,075 unidades astronómicas; 29 distancias lunares; 11 millones de kilómetros). [61] El sistema Didymos no es un asteroide que cruza la Tierra , y no hay posibilidad de que el experimento de deflexión pueda crear un peligro de impacto. [62] El 4 de octubre de 2022, Didymos realizó una aproximación a la Tierra de 10,6 unidades astronómicas (4.100 distancias lunares; 1.590 millones de kilómetros; 990 millones de millas). [63]
Los preparativos para el lanzamiento de DART comenzaron el 20 de octubre de 2021, cuando la nave espacial comenzó a abastecerse de combustible en la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg (VSFB) en California. [64] La nave espacial llegó a Vandenberg a principios de octubre de 2021 después de un viaje a través del país. Los miembros del equipo DART prepararon la nave espacial para el vuelo, probaron los mecanismos y el sistema eléctrico de la nave, envolvieron las piezas finales en mantas aislantes multicapa y practicaron la secuencia de lanzamiento tanto desde el sitio de lanzamiento como desde el centro de operaciones de la misión en APL. DART se dirigió a la instalación de procesamiento de carga útil de SpaceX en VSFB el 26 de octubre de 2021. Dos días después, el equipo recibió luz verde para llenar el tanque de combustible de DART con aproximadamente 50 kilogramos (110 libras) de propulsor de hidracina para maniobras de la nave espacial y control de actitud. DART también transportó alrededor de 60 kilogramos (130 lb) de xenón para el motor de iones NEXT-C. Los ingenieros cargaron el xenón antes de que la nave espacial abandonara APL a principios de octubre de 2021. [65]
A partir del 10 de noviembre de 2021, los ingenieros acoplaron la nave espacial al adaptador que se apila en la parte superior del vehículo de lanzamiento SpaceX Falcon 9. El cohete Falcon 9 sin el carenado de carga útil rodó hacia un incendio estático y luego regresó nuevamente a la instalación de procesamiento, donde los técnicos de SpaceX instalaron las dos mitades del carenado alrededor de la nave espacial durante dos días, el 16 y el 17 de noviembre, dentro del La instalación de procesamiento de carga útil de SpaceX en la Base de la Fuerza Espacial Vandenberg y los equipos terrestres completaron con éxito una revisión de preparación de vuelo más tarde esa semana con el carenado acoplado al cohete. [66]
Un día antes del lanzamiento, el vehículo de lanzamiento salió del hangar y se dirigió a la plataforma de lanzamiento del Vandenberg Space Launch Complex 4 (SLC-4E); desde allí, despegó para comenzar el viaje de DART al sistema Didymos e impulsó la nave espacial al espacio. [sesenta y cinco]
La nave espacial DART se lanzó el 24 de noviembre de 2021 a las 06:21:02 UTC .
La planificación inicial sugirió que DART se desplegaría en una órbita terrestre de gran altitud y alta excentricidad diseñada para evitar la Luna . En tal escenario, DART utilizaría su motor de iones NEXT de bajo empuje y alta eficiencia para escapar lentamente de su órbita terrestre alta a una órbita solar cercana a la Tierra ligeramente inclinada, desde la cual maniobraría hacia una trayectoria de colisión con su objetivo. Pero debido a que DART se lanzó como una misión dedicada del Falcon 9 , la carga útil junto con la segunda etapa del Falcon 9 se colocó directamente en una trayectoria de escape de la Tierra y en órbita heliocéntrica cuando la segunda etapa se volvió a encender para un segundo arranque del motor o escape. Por lo tanto, aunque DART lleva un propulsor eléctrico, el primero de su tipo, y abundante combustible de xenón, Falcon 9 hizo casi todo el trabajo, dejando a la nave espacial realizar sólo unas pocas correcciones de trayectoria con propulsores químicos simples mientras se dirigía hacia en la luna Dimorphos de Didymos. [67]
La fase de tránsito antes del impacto duró unos 9 meses. Durante su viaje interplanetario , la nave espacial DART realizó un sobrevuelo distante del asteroide cercano a la Tierra (138971) 2001 CB21 de 578 metros (1.896 pies) de diámetro en marzo de 2022. [68] DART pasó 0,117 unidades astronómicas (46 distancias lunares; 17,5 millones de kilómetros; 10,9 millones de millas) desde 2001 CB 21 en su aproximación más cercana el 2 de marzo de 2022. [69]
La cámara DRACO de DART abrió su puerta de apertura y tomó su primera imagen luminosa de algunas estrellas el 7 de diciembre de 2021, cuando estaba a 2 millones de millas (0,022 unidades astronómicas; 8,4 distancias lunares; 3,2 millones de kilómetros) de la Tierra. [70] Las estrellas en la primera imagen de luz de DRACO se usaron como calibración para apuntar la cámara antes de que pudiera usarse para tomar imágenes de otros objetivos. [70] El 10 de diciembre de 2021, DRACO tomó imágenes del cúmulo abierto Messier 38 para una mayor calibración óptica y fotométrica . [70]
El 27 de mayo de 2022, DART observó la brillante estrella Vega con DRACO para probar la óptica de la cámara con luz dispersa. [71] El 1 de julio y el 2 de agosto de 2022, el generador de imágenes DRACO de DART observó a Júpiter y su luna Europa emergiendo de detrás del planeta, como prueba de rendimiento del sistema de seguimiento SMART Nav para prepararse para el impacto de Dimorphos. [72]
Dos meses antes del impacto, el 27 de julio de 2022, la cámara DRACO detectó el sistema Didymos a aproximadamente 32 millones de kilómetros (0,21 unidades astronómicas; 83 distancias lunares; 20 millones de millas) de distancia y comenzó a perfeccionar su trayectoria. El nanosatélite LICIACube fue lanzado el 11 de septiembre de 2022, 15 días antes del impacto. [73] Cuatro horas antes del impacto, a unos 90.000 kilómetros (0,23 LD; 56.000 millas) de distancia, DART comenzó a operar con total autonomía bajo el control de su sistema de guía SMART Nav . Tres horas antes del impacto, DART realizó un inventario de objetos cerca del objetivo. Noventa minutos antes de la colisión, cuando DART estaba a 38.000 kilómetros (0,099 LD; 24.000 millas) de Dimorphos, se estableció la trayectoria final. [74] Cuando DART estaba a 24.000 kilómetros (0,062 LD; 15.000 millas) de distancia, Dimorphos se volvió discernible (1,4 píxeles) a través de la cámara DRACO que luego continuó capturando imágenes de la superficie del asteroide y transmitiéndolas en tiempo real. [75]
DRACO fue el único instrumento capaz de proporcionar una vista detallada de la superficie de Dimorphos. El uso de los propulsores de DART provocó vibraciones en toda la nave espacial y en los paneles solares, lo que provocó imágenes borrosas. Para garantizar imágenes nítidas, la última corrección de trayectoria se ejecutó 4 minutos antes del impacto y los propulsores se desactivaron después. [75]
La última imagen completa, transmitida dos segundos antes del impacto, tiene una resolución espacial de unos 3 centímetros por píxel. El impacto se produjo el 26 de septiembre de 2022, a las 23:14 UTC . [3]
El impacto frontal de la nave espacial DART de 500 kilogramos (1100 lb) [76] a 6,6 kilómetros por segundo (4,1 mi/s) [77] probablemente impartió una energía de unos 11 gigajulios , el equivalente a unas tres toneladas de TNT . [78] y se esperaba que redujera la velocidad orbital de Dimorphos entre1,75 cm/s y2,54 cm/s , dependiendo de numerosos factores como la porosidad del material . [79] La reducción en la velocidad orbital de Dimorphos lo acerca a Didymos, lo que hace que la luna experimente una mayor aceleración gravitacional y, por lo tanto, un período orbital más corto. [13] [62] [80] La reducción del período orbital debido al impacto frontal sirve para facilitar las observaciones terrestres de Dimorphos. En cambio, un impacto en el lado posterior del asteroide aumentaría su período orbital hacia las 12 horas y lo haría coincidir con el ciclo diurno y nocturno de la Tierra, lo que limitaría que cualquier telescopio terrestre observe todas las fases orbitales de Dimorphos todas las noches. [47]
El factor de mejora del impulso medido (llamado beta) del impacto de Dimorphos por parte de DART fue 3,6, lo que significa que el impacto transfirió aproximadamente 3,6 veces más impulso que si el asteroide simplemente hubiera absorbido la nave espacial y no hubiera producido ninguna eyección, lo que indica que la eyección contribuyó más a moviendo el asteroide que la nave espacial. Esto significa que se podría utilizar un impactador más pequeño o tiempos de entrega más cortos para la misma deflexión. El valor de beta depende de varios factores, composición, densidad, porosidad, etc. El objetivo es utilizar estos resultados y modelos para inferir cuál podría ser beta para otro asteroide observando su superficie y posiblemente midiendo su densidad aparente. Los científicos estiman que el impacto de DART desplazó más de 1.000.000 de kilogramos (2.200.000 libras) de material eyectado de polvo al espacio, suficiente para llenar seis o siete vagones . La cola de eyección de Dimorphos creada por el impacto del DART tiene al menos 30.000 kilómetros (0,078 LD; 19.000 millas) de largo con una masa de al menos 1.000 toneladas (980 toneladas largas; 1.100 toneladas cortas), y posiblemente hasta 10 veces más. . [81] [82]
El impacto del DART en el centro de Dimorphos disminuyó el período orbital, anteriormente de 11,92 horas, en 33 ± 1 minutos. Este gran cambio indica que el retroceso del material excavado en el asteroide y expulsado al espacio por el impacto (conocido como material eyectado) contribuyó a un cambio de impulso significativo en el asteroide, más allá del de la propia nave espacial DART. Los investigadores descubrieron que el impacto provocó una desaceleración instantánea en la velocidad de Dimorphos a lo largo de su órbita de aproximadamente 2,7 milímetros por segundo, lo que nuevamente indica que el retroceso de la eyección jugó un papel importante en la amplificación del cambio de impulso impartido directamente al asteroide por la nave espacial. Ese cambio de impulso se amplificó en un factor de 2,2 a 4,9 (dependiendo de la masa de Dimorphos), lo que indica que el cambio de impulso transferido debido a la producción de eyecciones excedió significativamente el cambio de impulso de la nave espacial DART sola. [83] Si bien el cambio orbital fue pequeño, el cambio se produce en la velocidad y, con el paso de los años, se acumulará hasta formar un gran cambio de posición. [84] Para un cuerpo hipotético que amenaza a la Tierra, incluso un cambio tan pequeño podría ser suficiente para mitigar o prevenir un impacto, si se aplica con suficiente antelación. Como el diámetro de la Tierra es de unos 13.000 kilómetros, un hipotético impacto de asteroide podría evitarse con un desplazamiento tan pequeño como la mitad (6.500 kilómetros). AUn cambio de velocidad de 2 cm/s se acumula a esa distancia en aproximadamente 10 años.
Al estrellarse contra el asteroide, DART convirtió a Dimorphos en un asteroide activo . Los científicos habían propuesto que algunos asteroides activos son el resultado de eventos de impacto, pero nadie había observado nunca la activación de un asteroide. La misión DART activó Dimorphos en condiciones de impacto conocidas con precisión y cuidadosamente observadas, lo que permitió por primera vez el estudio detallado de la formación de un asteroide activo. [83] [85] Las observaciones muestran que Dimorphos perdió aproximadamente 1 millón de kilogramos de masa como resultado de la colisión. [22]
Los telescopios de todo el mundo se centraron en la histórica colisión y revelaron una columna de impacto sorprendentemente grande y brillante.